اشرح البقايا، والإكراه، والإكراه الجوهري، وحاصل الطاقة المغناطيسية القصوى بالتفصيل من خلال حلقة الهستيريسيس

بالنسبة للمغناطيسات الدائمة مثل NdFeB، نعتمد بشكل أساسي على قدرتها على توليد المغناطيسية والاحتفاظ بها. وهذا هو الشرط الوظيفي الأساسي للمواد المغناطيسية. فكيف نقيس هذه القدرة؟ نستخدم عادةً أربعة مؤشرات: المتبقي Br، والقوة القسرية Hcb، والقوة القسرية الذاتية Hcj، وحاصل الطاقة المغناطيسية القصوى BH(max).

لفهم هذه المؤشرات بدقة، يجب أولاً فهم منحنى إزالة المغناطيسية. بما أن المغناطيسات الدائمة يجب أن تكون ممغنطة أولاً، يجب أن تتحمل مختلف التأثيرات السلبية أثناء الاستخدام. يعكس منحنى إزالة المغناطيسية الأداء العام للمغناطيس بفعالية.

يوضح الشكل أعلاه حلقة تباطؤ نموذجية لمغناطيس دائم. يمثل الربع الأول منحنى المغناطيسية، ويمثل الربع الثاني منحنى إزالة المغناطيسية، ويمثل الربع الثالث منحنى المغناطيسية العكسية، ويمثل الربع الرابع منحنى إزالة المغناطيسية العكسية. يمثل المحور الأفقي المجال المغناطيسي المطبق H، ويمثل المحور الرأسي الحث المغناطيسي B والاستقطاب المغناطيسي J. [ببساطة، الحث المغناطيسي B هو مجموع المجال المغناطيسي الخارجي والمجال المغناطيسي الداخلي للمغناطيس، والاستقطاب المغناطيسي J هو المجال المغناطيسي الداخلي للمغناطيس.] الخصائص المغناطيسية الأربع - البقايا، والإكراه، والإكراه الجوهري، وحاصل ضرب الطاقة المغناطيسية القصوى - كلها مستمدة من منحنى إزالة المغناطيسية. الخط الأحمر في الشكل أعلاه هو منحنى إزالة المغناطيسية JH (المنحنى الذي يرسم الاستقطاب المغناطيسي J مقابل المجال المغناطيسي المطبق H)، ويسمى أيضًا منحنى إزالة المغناطيسية الجوهري. الخط الأزرق هو منحنى إزالة مغناطيسية BH (المنحنى الذي يرسم الحث المغناطيسي B مقابل المجال المغناطيسي المطبق H). تمثل المربعات الصغيرة المجالات المغناطيسية. يمكن اعتبار المجالات المغناطيسية مغناطيسات صغيرة. يتكون المغناطيس من عدة مجالات. تشير الأسهم إلى اتجاه المغناطيسية التلقائية (المحور C) للمجالات. بالنسبة للمغناطيس الدائم في حالة محايدة مغناطيسيًا (ببساطة مغناطيس غير مشحون)، تقع المجالات المغناطيسية في الغالب في نفس نظام الإحداثيات، لكن اتجاهاتها تلغي بعضها البعض، مما يؤدي إلى انعدام المغناطيسية الواضحة، كما هو موضح في الشكل 1.

الشكل 1

عند تطبيق مجال مغناطيسي على طول اتجاه المغناطيسية، تتحرك المجالات المغناطيسية تدريجيًا وتدور عبر جدران المجالات، مصطفةً محاورها المغناطيسية (C)، كما هو موضح في الشكلين 2 و3. هذا هو منحنى المغناطيسية. تُسمى شدة الاستقطاب المغناطيسي المقابلة لمغنطة التشبع شدة الاستقطاب المغناطيسي التشبعي، Js.

الشكل 2

الشكل 3
عندما يصل المغناطيس إلى حالة التشبع المغناطيسي ويُزال المجال المغناطيسي الخارجي، تحافظ معظم المجالات المغناطيسية على اتجاهها. يدور بعضها قليلاً، لكن الاتجاه يبقى ثابتًا، كما هو موضح في الشكل 4. يؤدي هذا إلى بقاء كلٍّ من كثافة التدفق المغناطيسي والاستقطاب المغناطيسي مرتفعين. تُسمى هذه القيمة كثافة التدفق المغناطيسي المتبقية Br أو الاستقطاب المغناطيسي المتبقي Jr. بديهيًا، تمثل هذه القيمة كثافة التدفق المغناطيسي B أو الاستقطاب المغناطيسي J المتبقي بعد إزالة المجال المغناطيسي الخارجي من المغناطيس المشبع. عندما يكون المجال المغناطيسي الخارجي H صفرًا، يكون Br = Jr. يُستخدم Br غالبًا لوصف ما نسميه عادةً بالباقي، ويُعبر عنه بوحدة Gs أو T.

كلما زادت نسبة البروم، زادت كثافة التدفق المغناطيسي المحتفظ به، وزادت إمكانية الحصول على مادة مغناطيسية قوية.

الشكل 4

عندما يزداد المجال المغناطيسي الخارجي المطبق في الاتجاه المعاكس، تتحرك المجالات المغناطيسية للمغناطيس تدريجيًا وتدور، كما هو موضح في الشكل 5. عندما تصل شدة المجال المغناطيسي إلى قيمة معينة، تنخفض شدة الحث المغناطيسي (B) للمغناطيس إلى الصفر. ببساطة، تلغي شدة المجال المغناطيسي المحتفظ بها داخل المغناطيس والمجال المغناطيسي العكسي الخارجي بعضهما البعض. تسمى شدة المجال المغناطيسي المقابلة عند هذه النقطة بالإكراه المغناطيسي (Hcb) (وتُكتب أيضًا باسم bHc)، بوحدات Oe أو kA/m. ترتبط الإكراه المغناطيسي (Hcb) ارتباطًا وثيقًا بميل منحنى إزالة المغناطيسية JH. إذا كان من غير المرجح أن تتحرك المجالات المغناطيسية للمغناطيس أو تدور على المدى القصير، فسيكون منحنى JH مستقيمًا جدًا، وسيقترب Hcb من Br. الحد الأعلى لـ Hcb هو Br، حيث Hcb = Br. هذا هو الوضع المثالي، مما يعني أنه لا يحدث انعكاس للمجال المغناطيسي قبل أن تصل شدة المجال المغناطيسي العكسي إلى Br. وهذا يعني أن المغناطيس مستقر للغاية، أي أن المغناطيس مقاوم للغاية لإزالة المغناطيسية عندما تكون قوة المجال المغناطيسي العكسي أقل من Br في البداية.

الشكل 5

عندما يستمر المجال المغناطيسي العكسي في الزيادة، فإنه يصل إلى قيمة حرجة، مما يتسبب في ظهور المجالات المغناطيسية العكسية بسرعة، مما يتسبب في انخفاض شدة الاستقطاب المغناطيسي للمغناطيس بسرعة إلى الصفر. ببساطة، تنخفض قوة المجال المغناطيسي المحتفظ بها داخل المغناطيس إلى الصفر، كما هو موضح في الشكل 6. تسمى قوة المجال المغناطيسي المقابلة في هذه المرحلة بالإكراه الجوهري، Hcj (وتكتب أيضًا باسم jHc)، بوحدات Oe أو kA/m. الإكراه الجوهري هو كمية فيزيائية تعكس مقاومة المغناطيس لإزالة المغناطيسية. كلما زادت الإكراه الجوهري، زادت مقاومة إزالة المغناطيسية، أو بشكل أدق، زادت مقاومة إزالة المغناطيسية الكاملة. من المهم ملاحظة الفرق بين Hcj وHcb. عندما يكون Hcj أكبر من Br، تكون القيمة الحدية لـ Hcb هي Br. عندما يكون Hcj أقل من Br، تكون القيمة الحدية لـ Hcb هي Hcj.

الشكل 6

يُسمى حاصل ضرب B وH المقابل لأي نقطة على منحنى إزالة مغناطيسية BH حاصل الطاقة المغناطيسية. القيمة القصوى هي حاصل ضرب الطاقة المغناطيسية الأقصى (BH)max. نظريًا، حاصل ضرب الطاقة المغناطيسية الأقصى (BH)max = (½ Br)². يأخذ حاصل ضرب الطاقة المغناطيسية الأقصى في الاعتبار كلاً من المتبقي والقسر. تمثل قيمته كمية الطاقة المغناطيسية الموجودة في المغناطيس، وتعكس أيضًا الميل الابتدائي لمنحنى JH. وحدته هي GOe أو j/m³.

إذا كانت المعايير الأربعة المذكورة أعلاه لا تزال صعبة الفهم، فيمكنك ببساطة تشبيه المغناطيس بكأس من الماء. المغنطة هي التسخين، والباقي هو حرارة الماء بعد توقف التسخين، وإزالة المغنطة هي تبريد الماء. Hcb هي القيمة التي تصل عندها درجة الحرارة المحيطة إلى مستوى معين يتم عنده تعويض حرارة الماء، مما يؤدي إلى انعدام الحرارة الخارجية. Hcj هي درجة الحرارة المحيطة اللازمة لخفض حرارة الماء تمامًا إلى الصفر. فيما يلي رسم تخطيطي مبسط للربع الثاني من حلقة الهستيريسيس لمساعدتك على تعميق فهمك للمفاهيم ذات الصلة.

وفيما يتعلق بالمعلمات المغناطيسية المذكورة أعلاه، ينبغي لنا الانتباه إلى النقاط التالية في التطبيقات العملية:
١. بالنسبة للمغناطيسات التي تتطلب مجالًا مغناطيسيًا قويًا، نحتاج عادةً إلى تعظيم قيمة بقاياها لإطلاق المزيد من المغناطيسية. مع ذلك، من المهم ملاحظة أن هذا يفترض عدم وجود إزالة مغناطيسية. في حال وجود إزالة مغناطيسية، قد لا تكون زيادة البقايا فعالة. من الضروري أيضًا زيادة قيمة Hcj لتقليل إزالة المغناطيسية. على سبيل المثال، بالنسبة لمغناطيس قرص D10*1، تكون مغناطيسية سطح مغناطيس 52H أعلى من مغناطيسية مغناطيس N52. ويرجع ذلك إلى أن قيمة Hcj الأعلى لمغناطيس 52H تسمح باستغلال كامل لعنصر البروم (Br)، بينما تمنع قيمة Hcj المنخفضة لمغناطيس N52 من إزالة مغناطيسيته. لذلك، حتى مع قيمة Br الأعلى، لن يتم استغلال كامل لمغناطيسه.
2. بالنسبة للمغناطيسات التي تتطلب مقاومة قوية لإزالة المغناطيسية والاستقرار، نحتاج عمومًا إلى زيادة Hcj والحفاظ على قيمة Hcb قريبة من قيمة Br قدر الإمكان.
٣. بالنسبة للمغناطيسات التي تتطلب مقاومة جيدة لدرجة الحرارة، عادةً ما نختار زيادة قيمة Hcj. ولأن معامل الإكراه الحراري لمغناطيسات NdFeB الدائمة ذات قيمة Hcj نفسها لا يختلف كثيرًا، فإن التأثير الأكثر مباشرة لزيادة قيمة Hcj هو تأخير ظهور نقطة انعطاف خط BH أو عدم ظهورها على الإطلاق. إذا وُضعت متطلبات صارمة لاستقرار درجة الحرارة، فيجب أيضًا مراعاة متطلبات Hcb. حاول تقليل ميل خط BH قدر الإمكان لتقليل التوهين غير القابل للعكس للمغناطيس.